Fiche de révision : Moteurs à combustion interne

📋 Plan du Cours

1. Défis énergétiques et émissions
2. Classification des moteurs thermiques
3. Cycles et architectures moteur
4. Grandeurs géométriques et cinématiques
5. Cycles thermodynamiques
6. Combustion et pouvoir calorifique
7. Performances et rendements moteur
8. Rendements et combustion moteur
9. Couple puissance et cartographies
10. Remplissage et rendement volumétrique
11. Modes de combustion moteur
12. Combustion essence et cliquetis
13. Injection directe et stratification
14. Combustion Diesel et aérodynamique
15. Leviers de réduction consommation
16. Injection Diesel et aérodynamique
17. Formation des polluants
18. Post-traitement des émissions

📖 1. Défis énergétiques et émissions

★ À maîtriser

• La part des énergies fossiles doit passer de 80 % en 2020 à 73 % en 2040, tandis que celle des énergies renouvelables doit passer de 5 % à 15 %. — BP Statistical Review

• Les transports représentent 19 % de la demande mondiale d’énergie en 2020 comme en 2040 et 20 % des émissions de CO₂ en 2020 contre 19 % en 2040.

📐 Formule — L’équation de Kaya décompose les émissions de CO₂ selon $CO_2=\frac{CO_2}{E}\times\frac{E}{PIB}\times\frac{PIB}{POP}\times POP$.

Compléments

• L’objectif présenté est de réduire de moitié les émissions de CO₂ en 2050 en agissant notamment sur l’efficacité énergétique, la sobriété et la décarbonation de l’énergie.

💡 Astuce mémo

Raréfaction des ressources → transition énergétique → réduction du CO₂

📖 2. Classification des moteurs thermiques

★ À maîtriser

• Les grandes familles sont:

  • moteurs à combustion interne à volume fermé
  • machines à vapeur
  • moteurs Stirling
  • turbomachines à flux continu

• Les moteurs à pistons alternatifs peuvent être à essence ou Diesel et fonctionner selon un cycle à deux temps ou à quatre temps.

Compléments

• Les moteurs peuvent utiliser comme carburants l’essence, le gazole, le GPL, le GNV, les biocarburants ou l’hydrogène, et être alimentés par aspiration atmosphérique ou suralimentation.

💡 Astuce mémo

Combustion interne : volume fermé ; combustion externe : source séparée

📖 3. Cycles et architectures moteur

★ À maîtriser

• 🔄 Les quatre temps sont:
  1. admission des gaz
  2. compression
  3. combustion-détente
  4. échappement des gaz brûlés

📌 Le moteur deux temps offre une masse et un encombrement réduits, une puissance par litre environ 1,5 fois supérieure et une régularité accrue, mais il présente des difficultés de charge thermique, de lubrification, de dépollution et de bruit.

Compléments

• Dans un moteur Wankel, le rotor réalise trois combustions par tour de rotor et une combustion par tour de vilebrequin.

💡 Astuce mémo

Admission → compression → combustion-détente → échappement

📖 4. Grandeurs géométriques et cinématiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Rapport volumétrique : Rapport entre le volume maximal et le volume minimal du cylindre, soit $\xi=\frac{V+v}{v}$, où V est la cylindrée unitaire et v le volume mort.

★ À maîtriser

📐 Formule — La vitesse moyenne du piston est donnée par $VMP=\frac{2LN}{60}$, avec L la course en mètres et N le régime en tours par minute.

📌 Un moteur est super carré lorsque le rapport alésage/course est supérieur à 1, carré lorsqu’il est proche de 1 et à longue course lorsqu’il est inférieur à 1.

Compléments

• La vitesse moyenne du piston est supérieure à 20 m/s pour un moteur de Formule 1, de 14 à 18 m/s pour un moteur essence automobile et de 12 à 14 m/s pour un Diesel automobile.

💡 Astuce mémo

Fort A/C : remplissage élevé ; faible A/C : pertes thermiques faibles

📖 5. Cycles thermodynamiques

★ À maîtriser

📐 Formule — Le rendement idéal de Carnot est $\eta=1-\frac{T_f}{T_c}$, avec T_c la température de la source chaude et T_f celle de la source froide.

📐 Formule — Le rendement théorique du cycle de Beau de Rochas est $\eta=1-\frac{1}{\xi^{\gamma-1}}$.

📌 Le cycle Diesel est constitué de deux transformations isentropiques, d’une transformation isobare et d’une transformation isochore.

Compléments

• Le cycle de Sabaté est un cycle mixte comprenant deux transformations isentropiques, une transformation isobare et deux transformations isochores.

• Le cycle de Rankine peut récupérer l’énergie des gaz d’échappement et fournir un gain de consommation de l’ordre de 3 à 5 %, surtout pour les gros moteurs à combustion interne.

💡 Astuce mémo

Beau de Rochas isochore ; Diesel isobare ; Sabaté mixte

📖 6. Combustion et pouvoir calorifique

🔑 Notions clés & Définitions

• Richesse : Rapport entre le rapport air-carburant réel et le rapport air-carburant stœchiométrique, soit $\phi=\frac{(m_{carb}/m_{air})_{réel}}{(m_{carb}/m_{air})_{stœch}}$.

★ À maîtriser

📌 Un mélange est stœchiométrique pour Φ = 1, pauvre pour Φ < 1 en raison d’un excès d’air et riche pour Φ > 1 en raison d’un excès de combustible.

• Le pouvoir comburivore usuel de l’essence ou du gazole est d’environ 14,6 g d’air pour brûler 1 g de carburant à la stœchiométrie.

📐 Formule — Le pouvoir calorifique inférieur se calcule à partir du pouvoir calorifique supérieur par $PCI=PCS-220H$, où H est le pourcentage massique d’hydrogène du carburant.

Compléments

• L’air contient environ 20,9 % d’oxygène et 78,1 % d’azote, ce qui correspond à un rapport molaire N₂/O₂ de 3,78.

💡 Astuce mémo

Φ < 1 : pauvre ; Φ = 1 : stœchiométrique ; Φ > 1 : riche

📖 7. Performances et rendements moteur

🔑 Notions clés & Définitions

• Pression moyenne effective : Pression fictive constante qui fournirait le travail effectif sur toute la cylindrée, et elle vérifie $PME=PMI-PMF$.

★ À maîtriser

📐 Formule — La puissance effective est liée au couple et au régime par $P=C\omega$, avec $\omega=\frac{2\pi N}{60}$.

📐 Formule — Pour un moteur quatre temps, le travail indiqué vérifie $W_i=PMI\,V_{cyl}=\frac{C_i4\pi}{ }$, tandis que le travail effectif vérifie $W_{eff}=PME\,V_{cyl}$.

• Un bilan thermique présenté pour un véhicule lourd attribue 43 % de l’énergie à l’arbre moteur, 34 % à l’enthalpie des gaz d’échappement et 23 % aux transferts thermiques vers l’eau, l’huile et l’air.

📐 Formule — Le rendement mécanique est le rapport entre la PME et la PMI, soit $\eta_m=\frac{PME}{PMI}=1-\frac{PMF}{PMI}$.

Compléments

• Le rendement de combustion est supérieur à 0,98 en excès d’air, tandis qu’un enrichissement à pleine charge augmente les performances mais favorise une combustion incomplète produisant du CO, des HC et de l’hydrogène.

• Le CA50 optimal se situe 6 à 8 degrés de vilebrequin après le point mort haut.

💡 Astuce mémo

Pertes par frottement → PME inférieure à la PMI → baisse du rendement effectif

📖 8. Rendements et combustion moteur

🔑 Notions clés & Définitions

• Rendement de forme : regroupe les effets qui modifient l’allure du cycle réel, notamment les pertes par pompage, les transferts thermiques, le calage de distribution, la vitesse de combustion, la dissociation et les pertes par blow-by.
• CA50 : l’angle de rotation du vilebrequin auquel 50 % de l’énergie de combustion ont été libérés.

📝 Points essentiels

• En excès d’air, le rendement de combustion reste supérieur à 0,98.

• Une combustion incomplète provoque: une oxydation partielle du carbone en CO au lieu de CO2, la présence d’hydrocarbures imbrûlés, la présence de H2

• Le CA50 optimal se situe généralement 6 à 8 °V après le PMH.

💡 Astuce mémo

Pertes de combustion et de forme → rendement global réduit

📖 9. Couple puissance et cartographies

🔑 Notions clés & Définitions

• Rendement mécanique : aussi appelé rendement organique, prend en compte les frottements internes et les frottements auxiliaires et vérifie $\eta_m=\frac{PME}{PMI}=1-\frac{PMF}{PMI}$.

★ À maîtriser

📌 La PME est obtenue à partir de la PMI et de la PMF selon $PMI=PME+PMF$, la PME représentant le travail effectif et la PMI le travail indiqué.

📐 Formule — La puissance à la roue doit vaincre les résistances aérodynamiques, au roulement, la pente et l’accélération : $F=\frac{1}{2}\rho S C_x V^2+mgC_r\cos\alpha+mg\sin\alpha+m\frac{dV}{dt}$.

📌 Un rapport de transmission court donne un couple de roue élevé et une vitesse véhicule plus faible, tandis qu’un rapport long donne une vitesse plus élevée et un couple de roue plus faible.

Compléments

• 🔄 À vitesse constante: la charge augmente, la PME augmente, les PMF restent quasi indépendantes de la charge, le rendement mécanique s’améliore généralement

💡 Astuce mémo

Transmission courte : couple élevé ; transmission longue : vitesse élevée

📖 10. Remplissage et rendement volumétrique

🔑 Notions clés & Définitions

• Rendement volumétrique : le rapport entre la masse d’air réellement admise et la masse d’air de référence : $\eta_v=\frac{m_{air}}{m_{air,réf}}$.

★ À maîtriser

• Les trois références de remplissage sont:

  • le remplissage en air corrigé, avec les conditions atmosphériques ambiantes
  • le remplissage en air standard, avec 1000 mbar et 25 °C
  • le rendement volumétrique, avec les conditions dans le répartiteur d’admission

• Les principaux phénomènes sont:

  • la vitesse du piston et le régime moteur
  • les échanges thermiques
  • les pertes de charge
  • l’adaptation des conduits d’admission
  • le backflow
  • le refoulement de l’air

• Dans un moteur quatre temps, le nombre de tours par cycle est de 2, tandis qu’il est de 1 dans un moteur deux temps.

Compléments

📌 Les paramètres de distribution AOA, RFA, AOE et RFE déterminent les ouvertures et fermetures des soupapes, et leur réglage influence les transferts de masse et le backflow.

💡 Astuce mémo

Admission → remplissage → compression

📖 11. Modes de combustion moteur

📝 Points essentiels

📌 Un moteur à allumage commandé utilise généralement un mélange homogène, une déflagration initiée par une énergie extérieure et une charge réglée par l’air admis, tandis qu’un Diesel utilise un mélange hétérogène et l’auto-inflammation.

• 🔄 La combustion Diesel comprend successivement:

  1. un délai d’auto-inflammation
  2. une combustion en prémélange
  3. une combustion par flamme de diffusion

• Dans un moteur à allumage commandé, la charge est réglée par l’air admis et la richesse est généralement maintenue autour de 1, tandis que dans un Diesel la charge dépend directement de la quantité de carburant injectée.

📌 En injection indirecte, l’essence est injectée dans la pipe d’admission à environ 3 bar, tandis qu’en injection directe elle est injectée dans la chambre à 100 à 200 bar.

• En Diesel, l’injection directe s’effectue toujours à haute pression dans la chambre de combustion, typiquement à 1600 à 2700 bar ou davantage selon le système.

💡 Astuce mémo

Essence : mélange homogène et allumage commandé ; Diesel : mélange hétérogène et auto-inflammation

📖 12. Combustion essence et cliquetis

🔑 Notions clés & Définitions

• Déflagration : une combustion initiée par une source extérieure et propagée par un front de flamme dans le mélange.

📝 Points essentiels

• Pour l’essence, les limites usuelles d’inflammabilité correspondent approximativement à une richesse de 0,6 à 1,3, et le mélange stœchiométrique contient 1 g d’essence pour 14,7 g d’air.

📐 Formule — Le délai d’auto-inflammation dépend de la pression et de la température selon une relation de type $\Theta=\frac{1}{A P^n}\exp\left(\frac{B}{T}\right)$.

• Le cliquetis résulte de la combustion spontanée quasi instantanée de la charge non brûlée située devant le front de flamme, ce qui crée des oscillations de pression de 5 à 8 kHz et un bruit métallique.

• Le cliquetis apparaît préférentiellement à bas régime et forte charge, et il est favorisé par l’augmentation de la pression et de la température d’admission, du rapport volumétrique et des dépôts moteur.

💡 Astuce mémo

Pression et température élevées → délai réduit → cliquetis

📖 13. Injection directe et stratification

★ À maîtriser

📌 La combustion stratifiée crée une boule locale de richesse proche de 1 autour de la bougie, tandis que le reste de la chambre contient un mélange pauvre fortement dilué par l’air.

• L’injection directe essence permet un fonctionnement homogène sur toute la cartographie et un fonctionnement stratifié sur une partie de la cartographie.

• La combustion stratifiée réduit les pertes par pompage et les pertes thermiques, et augmente le coefficient polytropique à environ 1,35 contre 1,25 en compression homogène et 1,20 en détente homogène.

Compléments

• Le rendement théorique indiqué est d’environ 58 % en combustion stratifiée contre 42 % en combustion homogène.

📌 Une préchambre passive possède des trous de communication sans système d’injection, tandis qu’une préchambre active comporte une pré-injection et un allumage nécessitant un second système d’injection.

💡 Astuce mémo

Une boule de richesse 1 autour de la bougie, isolée par de l’air pauvre

📖 14. Combustion Diesel et aérodynamique

🔑 Notions clés & Définitions

• Swirl : le mouvement de rotation de l’air autour de l’axe du cylindre, rapporté au régime de rotation du moteur.

★ À maîtriser

• 🔄 Les trois phases sont:

  1. le délai d’auto-inflammation
  2. la flamme de prémélange
  3. la flamme de diffusion

• Le délai total Diesel comprend un délai physique d’atomisation et de vaporisation et un délai chimique de pré-réactions d’oxydation, avec un ordre de grandeur de 0,1 à 1 ms.

• La combustion prémélangée est rapide et engendre un taux élevé de dégagement d’énergie, du bruit, des contraintes thermomécaniques importantes et des NOx.

• Le swirl améliore l’homogénéité du carburant pendant la diffusion et apporte de l’oxygène pour la post-oxydation des suies, mais il impose un compromis avec la perméabilité de la culasse et les transferts thermiques.

Compléments

📌 L’impact de carburant liquide sur les parois produit des HC et des fumées, tandis que le recouvrement entre deux jets voisins génère des suies.

💡 Astuce mémo

Délai → prémélange → diffusion

📖 15. Leviers de réduction consommation

★ À maîtriser

• Le downsizing réduit la cylindrée et utilise la suralimentation pour compenser la chute de couple, tout en réduisant les pertes par pompage à charge partielle grâce à une ouverture plus importante du papillon.

• Les leviers de réduction des émissions de CO2 comprennent l’amélioration de l’aérodynamique, la réduction de la masse et de la résistance au roulement, l’électrification, l’optimisation du groupe motopropulseur et l’utilisation de vecteurs énergétiques bas carbone.

📐 Formule — Le rendement thermodynamique théorique d’un moteur à taux de compression variable vérifie $\eta_{th}=1-\frac{1}{\varepsilon^{\gamma-1}}$.

Compléments

• Une réduction de masse de 100 kg peut apporter un gain d’environ 10 g de CO2.

📖 16. Injection Diesel et aérodynamique

★ À maîtriser

• L'injection Diesel indirecte utilise une pression modérée de 130 bar, une préchambre et un rapport volumétrique de 21 à 23, tandis que l'injection directe utilise une pression de 1600 à 2000 bar ou davantage, un injecteur multi-trous et un rapport volumétrique de 14 à 16.

• Le swirl au point mort bas, généré par les conduits d'admission, caractérise la fin de l'admission, tandis que le swirl au point mort haut, généré par le bol, caractérise le mouvement de l'air dans la chambre.

• Un moteur Dual Fuel fonctionne soit en allumage commandé avec injection de gaz à faible pression et injection pilote de gazole représentant environ 1 % de la charge, soit en mode Diesel avec injection de la totalité du gazole et auto-inflammation.

Compléments

📌 L'impact du liquide sur les parois favorise les hydrocarbures imbrûlés et les fumées, tandis que le recouvrement de deux jets voisins génère des suies.

💡 Astuce mémo

Injection indirecte : pression modérée et préchambre ; injection directe : haute pression et multi-trous

📖 17. Formation des polluants

★ À maîtriser

• La formation du CO dans les hydrocarbures suit une oxydation progressive décrite par la chaîne RH → R → RO2 → RCHO → RCO → CO.

📌 Les émissions de CO augmentent lorsque l'oxygène manque ou lorsque la réaction est figée à une température inférieure à 1700 K.

📐 Formule — La formation du NO suit le mécanisme de Zeldovich étendu : $O+N_2\rightleftharpoons NO+N$, $N+O_2\rightleftharpoons NO+O$ et $N+OH\rightleftharpoons NO+H$.

• La formation de NOx est maximale dans un mélange légèrement pauvre, autour d'une richesse de 0,9.

Compléments

• 🔄 La formation des suies suit les étapes suivantes:
  1. Craquage des molécules
  2. Création d'acétylène C2H2
  3. Regroupement en structures hexagonales
  4. Superposition et enroulement
  5. Création de petites sphères
  6. Agglutination des sphères

💡 Astuce mémo

Richesse, température et oxygène → CO, NOx, HC et suies

📖 18. Post-traitement des émissions

🔑 Notions clés & Définitions

• Filtre à particules : Monolithe céramique ou métallique dont un canal sur deux est bouché, forçant les gaz à traverser les parois où les particules sont arrêtées par effet « wall flow ».

★ À maîtriser

• L'oxydation des polluants est favorisée par le platine ou le palladium, tandis que leur réduction est favorisée par le rhodium.

• Le catalyseur trois voies élimine le CO et les HC par oxydation et les NOx par réduction, mais il nécessite un contrôle précis de la richesse autour de 1.

• La régénération du filtre à particules nécessite environ 600 °C, une quantité résiduelle d'oxygène et est déclenchée par un capteur de pression différentielle.

📐 Formule — La taxe CAFE est calculée par $\mathrm{Taxe\ CAFE}=n_{voitures}\times95\,EUR\!/\!voiture\times(CO_2\,g/km-95\,g/km)$.

• En 2017, la procédure RDE est entrée en vigueur avec un système PEMS de mesure des émissions en conduite réelle.

• Euro 7 s'applique aux nouveaux types M1 et N1 le 29 novembre 2026, puis à tous les véhicules neufs M1 et N1 le 29 novembre 2027.

📌 Dans une architecture hybride parallèle, le nœud de puissance est mécanique, tandis que dans une architecture série il est électrique.

• Le freinage récupératif peut récupérer jusqu'à 30 % de l'énergie du cycle pendant les décélérations lorsque la batterie peut accepter l'énergie et la puissance récupérées.

📌 Le micro-hybride associe principalement le Stop and Start avec un gain de consommation de 5 à 10 %, tandis que le mild hybride ajoute le freinage récupératif avec un gain de 10 à 15 %.

• Le full hybride offre un gain de consommation de 25 à 35 % et un mode ZEV inférieur à 5 km, tandis que l'hybride rechargeable vise un gain de 50 à 60 % avec un mode ZEV inférieur à 100 km.

• L'hydrogène possède un pouvoir calorifique inférieur de 119700 kJ/kg et un domaine d'inflammabilité de 4 à 76 %, contre 44800 kJ/kg et 1 à 7,6 % pour l'essence.

📌 La chaîne hydrogène atteint un rendement global proche de 20 % avec une pile à combustible ou légèrement inférieur à 20 % avec un moteur thermique, tandis que la chaîne de la batterie atteint environ 65 %.

• Les machines électriques mobilisent notamment les terres rares et le cuivre, tandis que les batteries mobilisent le lithium, le nickel et le cobalt, ce qui crée une forte criticité des matériaux à l'horizon 2050.

Compléments

• La régénération du filtre à particules dure 3 à 4 minutes, intervient tous les 500 à 1000 km et doit être assurée pendant une durée de vie du véhicule de 250000 km.

• Pour Euro 6d Temp, le facteur de conformité RDE vaut 2,1 en conditions modérées et 3,36 en conditions étendues.

💡 Astuce mémo

Oxyder CO-HC, réduire NOx, filtrer puis régénérer les particules

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des cycles moteurs

Comparaison essence Diesel